In diesem speziellen Gastbeitrag schreibt Robert Roe von Scientific Computing World, dass HPC-Simulationen eine Plattform für die Entwicklung fortschrittlicher Energieerzeugungstechnologien bieten.
Vortex Bladeless ist ein umweltfreundlicher Lufterzeuger, der ohne Flügel auskommt.
Durch den Einsatz modernster Simulationen entwickeln Software-Ingenieure innovative neue Windenergietechnologien und erhöhen die Effizienz und Haltbarkeit von Windkraftanlagen. Die Suche nach nachhaltigen Energiequellen ist eines der dringendsten Anliegen der Gesellschaft. Die Entwicklung fortschrittlicher nachhaltiger Energiequellen bietet nicht nur eine Steigerung der Leistung und der Effizienz der Energieerzeugung, sondern auch eine Alternative zu fossilen Brennstoffen.
Die Ressourcen an fossilen Brennstoffen werden immer knapper, so dass erneuerbare Quellen wie Wind- und Solarenergie mehr Energie als je zuvor liefern. Das Vereinigte Königreich beispielsweise hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2020 20 % seiner Gesamtenergie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen.
Die Steigerung des Wirkungsgrads von Technologien wie Sonnenkollektoren und Windturbinen ist neben den Produktions- und Herstellungskosten eine der größten Herausforderungen für den Erfolg der erneuerbaren Energiequellen.
Der Einsatz von Modellierungs- und Simulationssoftware bietet einen Weg zur Innovation, da groß angelegte Simulationen dazu beitragen können, neue Systeme zu entwerfen und die Effizienz bestehender Technologien zu steigern, um sie wirtschaftlich rentabler zu machen.
David Yáñez, Mitbegründer des spanischen Tech-Start-ups Vortex Bladeless
Auf der britischen Altair Technology Conference (ATC) 2019 präsentierte David Yáñez, Mitbegründer des spanischen Tech-Start-ups Vortex Bladeless, das Design des Unternehmens für eine neue Windenergie-Technologie. Eines der Hauptmerkmale dieses Systems ist die Reduzierung mechanischer Elemente, die durch Reibung abgenutzt werden können. Das Unternehmen entwickelte die Technologie mit Hilfe von CFD-Tools, die von Altair zur Verfügung gestellt wurden. Diese halfen dem Unternehmen, sowohl die Fluid-Struktur-Interaktion als auch das Verhalten der Magnetfelder im Generator zu untersuchen. Die Ergebnisse werden dann mit experimentellen Ergebnissen verglichen, die sowohl im Windkanal als auch in realen Anwendungsumgebungen erzielt wurden.
Vortex Bladeless ist ein wirbelinduzierter Schwingungsresonanz-Windgenerator. Er nutzt die Windenergie aus einem Wirbelphänomen, das Wirbelablösung genannt wird. Wirbelablösung ist eine oszillierende Strömung, die auftritt, wenn ein Fluid wie Luft oder Wasser mit bestimmten Geschwindigkeiten an einem Abhang vorbeiströmt. In der Strömungsmechanik wird die Strömung verändert, wenn der Wind durch einen stumpfen Körper strömt, und erzeugt ein zyklisches Muster von Wirbeln.
Wenn die Frequenz dieser Kräfte nahe genug an der Strukturfrequenz des Körpers liegt, beginnt der Körper zu schwingen und tritt in Resonanz mit dem Wind. Dies wird auch als wirbelinduzierte Vibration (VIV) bezeichnet.
Die Mastgeometrie von Vortex ist so konzipiert, dass sie auf der Grundlage der durchschnittlich beobachteten Windgeschwindigkeiten maximale Leistung erzielt. Sie ist in der Lage, sich sehr schnell an Windrichtungsänderungen und turbulente Luftströmungen anzupassen, wie sie in städtischen Umgebungen häufig zu beobachten sind.
Die Störung der stromabwärts gerichteten Windströmung ist der Grund dafür, dass herkömmliche Turbinen in einem bestimmten Abstand zueinander installiert werden müssen. Dies ist bei der VIV-Anlage nicht der Fall, da jegliche Einschränkung durch den „Nachlaufeffekt“ vermieden wird. Darüber hinaus geht das Unternehmen davon aus, dass die Vortex-Geräte besser zusammenarbeiten, eine Rückkopplung verursachen und die Geschwindigkeit der Wirbel erhöhen, wenn sie den richtigen Freiraum um sich herum haben, der schätzungsweise die Hälfte der Gesamthöhe des Geräts ausmacht.
Bei herkömmlichen Windturbinen beträgt dieser Freiraum in der Regel das Fünffache der Gesamthöhe des Geräts.
Die schaufellose Technologie besteht aus einem Zylinder, der vertikal mit einem elastischen Stab befestigt ist. Der Zylinder schwingt unter bestimmten Windbedingungen und erzeugt dann über ein Generatorsystem Strom.
Resonanz ist eine gute Möglichkeit, Energie von einem Fluid auf eine Struktur zu übertragen. Eine Resonanz entsteht, wenn zwei Frequenzen nahe beieinander liegen, zum Beispiel die Eigenfrequenz einer Struktur und, in diesem Beispiel, die Frequenz, die durch diese Wirbel erzeugt wird“, erklärt Yáñez. „In Spanien erzeugen wir heute bis zu 20 Prozent unserer Energie aus dem Wind, aber wenn wir über die Verteilung der Energie sprechen, ist das Solarpanel der König.“
„Wir entwerfen ein neues Werkzeug, um Energie aus dem Wind zu sammeln, und wir haben versucht, das Resonanzphänomen, das auftritt, zu erhöhen“, fügte Yáñez hinzu.
Schaufellose Turbinen sind getriebelos, ölfrei, geräuschlos, unschädlich für Vögel, wartungs- und kostenarm, selbstlaufend und autark, für die Erzeugung vor Ort und die schnelle Anpassung an Windänderungen.
Vortex-Technologie
Der äußere Zylinder des Vortex Bladeless Systems ist so konstruiert, dass er weitgehend starr ist und die Fähigkeit hat, zu vibrieren, wobei er an der unteren Stange verankert bleibt. Der obere Teil des Zylinders ist nicht eingespannt und sorgt für die maximale Amplitude der Schwingung. Die Struktur besteht aus kohlenstoff- und/oder glasfaserverstärkten Harzen, denselben Materialien, die auch für die Rotorblätter herkömmlicher Windkraftanlagen verwendet werden.
Der obere Teil der Stange stützt den Mast, während der untere Teil fest im Boden verankert ist. Er besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer, das eine hohe Ermüdungsfestigkeit und einen minimalen Energieverlust bei Schwingungen aufweist. Das Design dieser schaufellosen Induktionsanlage unterscheidet sich deutlich von einer herkömmlichen Turbine. Anstelle des üblichen Turms, der Gondel und der Flügel verwenden die Vortex-Anlagen einen einzigen Mast aus leichten Materialien über einem Sockel. Herkömmliche Windturbinen wie HAWT (Windturbinen mit horizontaler Achse) und VAWT (Windturbinen mit vertikaler Achse) arbeiten durch Rotation, während die schaufellose Vortex-Anlage durch Oszillation arbeitet.
Der Entwicklungsprozess erfordert eine sorgfältige Untersuchung der Anlage und ein Verständnis ihres Verhaltens unter verschiedenen Windbedingungen. Die Resonanz des Mastes und die Wirbel, die entstehen, wenn der Wind über das Gerät streicht, müssen eine ähnliche Frequenz haben, damit die Oszillationsbewegung auftritt und Energie erzeugt wird.
Wir müssen beginnen, unser Gerät zu visualisieren, und hier ist Altair ein Schlüsselfaktor. Er soll uns helfen zu verstehen, wie unsere Struktur mit dem Wind interagiert“, so Yáñez. Wenn die Frequenz der Wirbel nahe an der Resonanzfrequenz unseres Mastes liegt, beginnen wir, Energie zu erzeugen. Wir arbeiten viel mit AcuSolve und HyperMesh, um dieses Netz zu erstellen.“
In der Präsentation wurde die Entwicklung des Netzes für den Mast beschrieben, das die Form in eine Reihe von Zellen unterteilt. Yáñez beschrieb, dass das Wachstum dieser Zellen sehr wichtig ist, um zu verstehen, ob die Ergebnisse der Computertests in einem realen Test verifiziert werden können. Mit AcuSolve und FieldView sind wir in der Lage, die Ergebnisse zu verstehen und das Wissen, das wir mit dieser Simulation gewonnen haben, in unsere Geräte zu übertragen“, fuhr Yáñez fort.
In den ersten Tests wurden einige Probleme mit dem Design festgestellt, die das Team mit etwas unkonventionellem Denken überwinden konnte. Wir sahen, dass die Leistung unseres Geräts nicht unseren Erwartungen entsprach. Eines Tages begann ich, einen anderen Bereich der Wissenschaft zu studieren, in dem die Wirbel untersucht wurden, die von den Schwänzen der Fische und den Flügeln der Vögel erzeugt werden“, erklärt Yáñez. Ich nahm ihre Formeln und mischte sie mit den Formeln der Bauingenieure, und wir erhielten eine neue Formel, die uns dazu brachte, eine andere Geometrie zu entwickeln. Mit dieser neuen Geometrie konnten wir unsere Leistung steigern.“
Die Änderungen an der Mastkonstruktion ermöglichten es den Ingenieuren, den Mast zu vergrößern und die Entwicklung hin zu einem System in Produktionsgröße voranzutreiben. „Vor ein paar Monaten haben wir mit fünf Geräten von 2,5 Metern Höhe begonnen, die sich eher für die Energieerzeugung in Haushalten eignen würden. Aber wir haben unter realen Bedingungen gesehen, dass diese Geräte in der Lage sind, sich sehr schnell an Änderungen der Windrichtung und -geschwindigkeit anzupassen, weil wir keine Art von Drall oder Schwung haben“, schloss Yáñez.
Während zweidimensionale Simulationen nützlich sind, ist VIV ein 3D-Phänomen und erfordert als solches die groß angelegten CFD-Simulationen, die von Yáñez und seinen Kollegen entwickelt wurden. Da es sich um eine neue Technologie handelt, muss viel Arbeit geleistet werden, um sicherzustellen, dass sich die Geräte wie erwartet verhalten und Energie mit der erforderlichen Effizienz erzeugen. Das bedeutet, dass neue Modelle erstellt werden müssen, die validiert werden müssen. Diese 3D-Simulationen basieren auf der Reynolds-Zahl, einer wichtigen dimensionslosen Größe in der Strömungsmechanik, die zur Vorhersage von Strömungsmustern in verschiedenen Strömungssituationen verwendet wird
Diese Simulationen erfordern eine große Menge an Rechenressourcen, so dass die Ingenieure mit Altair und dem Barcelona Supercomputing Center (BSC) zusammengearbeitet haben, um den besten Weg zu finden, um optimale Ergebnisse auf kostengünstige Weise zu erzielen.
Wachstum simulieren
Ein weiterer Grund für die groß angelegte Simulation von Windturbinen besteht darin, in einem zunehmend schwierigen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben. Laut Envision Intelligence wird der globale Markt für erneuerbare Energien von 2018 bis 2024 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 13,1 Prozent wachsen. Dieses enorme Wachstumspotenzial treibt den Wettbewerb an. Infolgedessen suchen Unternehmen nach Möglichkeiten, ihren Konkurrenten einen Schritt voraus zu sein.
Anfang 2019 gab Ansys Details zu seiner Partnerschaft mit WEG bekannt, einem brasilianischen Maschinenbauunternehmen, das vom Wachstum im Energiesektor profitieren möchte. Das Unternehmen entschied sich für Ansys aufgrund seiner „durchgängigen Simulation“, die es Unternehmen ermöglicht, über alle Aspekte des Lebenszyklus einer Konstruktion hinweg schnell zu iterieren und zu innovieren.
In einem Blog-Beitrag erklärte Ahmad Haidari, Global Industry Director bei Ansys: „WEG hat sich für die durchgängige Simulation von Ansys entschieden, um die strukturelle, elektromagnetische, thermische und strömungstechnische Leistung all seiner Produkte zu bewerten.“
Die Ingenieure von WEG entwickeln eine 4-mW-Windturbine mit Direktantrieb, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad und geringe Wartungsanforderungen auszeichnet. WEG hofft, dass das neue Design mit den steigenden Anforderungen Schritt halten kann, indem es die Leistung seiner derzeitigen 2,1-mW-Plattform fast verdoppelt. Die Ingenieure nutzen eine Vielzahl von Simulationswerkzeugen, um ihre Entwürfe während ihres gesamten Lebenszyklus zu testen und weiterzuentwickeln“, so Haidari weiter. Bei diesem Projekt setzten die Ingenieure mehrere Ansys-Tools ein, darunter Ansys Mechanical, Ansys Maxwell und Ansys DesignXplorer.
Die mit der Verdoppelung der Leistung einer Windkraftanlage einhergehende erhöhte Leistung führt zu einer hohen dynamischen Belastung der Strukturkomponenten. Die WEG-Ingenieure verwenden Ansys Mechanical, um die verschiedenen Lastfälle in der gesamten Struktur zu bewerten.
„Der Gondel-Turmaufsatz, der auf dem Betonturm sitzt und das Gewicht der an seiner Vorderseite montierten Turbinenblätter trägt, muss extremen Belastungen standhalten und gleichzeitig plastische Verformungen und Schlupf vermeiden. Die Ingenieure verwenden Struktursimulationen, um die Spannungen am Hals und an den Schweißpunkten zu bewerten. Für die Analyse des Ermüdungsversagens verwenden die Ingenieure Ansys nCode DesignLife“, fügt Haidari hinzu.
Kritische Schweißpunkte in der gesamten Struktur sind potenzielle Schwachstellen in der Struktur. Mithilfe von Mechanical und DesignXplorer bewerten die WEG-Ingenieure diese Stellen, um sicherzustellen, dass sie den größten Belastungen standhalten, denen sie ausgesetzt sind“, so Haidari weiter.
Die WEG-Ingenieure verwenden Ansys Maxwell, um die niederfrequenten elektromagnetischen Felder zu simulieren, die die Turbine im Normalbetrieb erzeugt. Diese Simulationen bewerten das Drehmoment, die induzierte Spannung, die Verluste und die Sättigung des Magnetkerns.
„Die Minimierung der Oberschwingungsströme zwischen dem Generator und dem Stromrichter ist entscheidend für eine sichere und optimale Leistung der Windkraftanlage. Um die gesamte harmonische Verzerrung niedrig zu halten, haben die Ingenieure Maxwell-Simulationen verwendet, um die Magnetpositionierung zu analysieren, die erzeugte Spannung zu bestimmen und das Oberschwingungsspektrum zu bewerten“, so Haidari.
„Die Simulation hat in jeden Aspekt der Konstruktion von WEG-Windturbinen Einzug gehalten. Das Gleiche gilt für andere Produkte von WEG, wie z.B. Turbogeneratoren und Hydrogeneratoren.“
Dieser Artikel erscheint hier im Rahmen einer Cross-Publishing-Vereinbarung mit Scientific Computing World.
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